DE19742648A1 - Klopfsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Klopfsensor zur Messung von Schwingungen. Der Klopfsensor besteht aus einem Träger, auf dem eine seismische Masse und ein Schwingungsdetektor durch eine Mutter gehalten werden. Teile des Klopfsensors sind von einem Umspritzungsmaterial umgeben.

Bestehende Klopfsensoren haben hinsichtlich der Reproduzier­ barkeit ihrer Sensorcharakteristik ein hohes Qualitätsniveau erreicht. Dadurch rücken im Aufbau des Sensors begründete Störeffekte, d. h. Effekte, die nicht durch Fertigungstoleran­ zen hervorgerufen sind, in bezug auf die Verschärfung des Sensorsignals immer stärker in den Vordergrund. Eine solche Verschärfung des Sensorsignals wird von Verbrauchern, bei­ spielsweise von Automobilherstellern, mit Nachdruck gefor­ dert.

Ein typischer Klopfsensor besteht, in Schnittdarstellung in Seitenansicht betrachtet, aus einem Träger, auf dessen Außen­ seite ein Schwingungsdetektor, beispielsweise ein Piezoele­ ment, aufliegt. Auf dem Piezoelelement wiederum ist eine seismische Masse angebracht. Schwingungsdetektor und seismi­ sche Masse werden durch eine Mutter auf dem Träger gehalten. Schwingungsdetektor, seismische Masse und Mutter sind von einem Umspritzungsmaterial umgeben.

Die äußere Form der Mutter nach dem Stand der Technik ist in Aufsicht betrachtet rotationssymmetrisch und kantig, bei­ spielsweise sechseckig. Das Umspritzungsmaterial besitzt da­ gegen bei gleicher Betrachtung eine vollkommen rotationssym­ metrische Außenfläche. Im folgenden werden Symmetrien immer auf die Betrachtung innerhalb der Ebene der Aufsicht bezogen. Aus dem beschriebenen Aufbau folgt, daß an den Kanten der Mutter Bereiche mit großen Teilvolumina, d. h. Massenkonzen­ trationen, des Umspritzungsmaterials auftreten. Diese Teilvo­ lumina können durch Drehung um einen festen Winkel ineinander überführt werden, beispielsweise bei sechskantiger Mutter durch eine 60°-Drehung.

Eine der wichtigsten Ursachen für störende Welligkeiten in der Kennlinie des Sensors sind Schwingungsresonanzen des Um­ spritzungsmaterials, das beispielsweise aus Kunststoff be­ steht, im für die Klopferkennung wichtigen Bereich von 0 . . . 25 kHz. Der Grund dafür ist die im Vergleich zu Metallen bzw. Keramiken geringe Härte des Umspritzungsmaterials. Diese Ei­ genzustände gehören zu den inneren mechanischen Freiheitsgra­ den des Sensors, in die ein Teil der mechanischen Vibrations­ energie einkoppeln kann. Jedes der Teilvolumina an den Kanten der Mutter beispielsweise besitzt eine eigene Resonanzfre­ quenz, ebenso wie die anderen von der Form her identischen Volumina seitlich der Verschraubung. Da alle dieser Teilvolu­ mina von der Symmetrie und von der Frequenz her identische Schwingungsmoden ausführen, können die jeweiligen Anregungen miteinander koppeln und so den Effekt der Vibration auf den Schwingungsdetektor verstärken.

Durch die so angeregten Deformationen des Schwingungsdetek­ tors wird ein dem eigentlichen Sensorsignal überlagertes zu­ sätzliches Störsignal erzeugt. Bei einigen Baufarmen sind die Welligkeiten so stark ausgeprägt, daß die derzeit angestrebten Toleranzen nicht einhaltbar sind.

Zur Verringerung des Störsignals liegt es nahe, entweder här­ tere Umspritzungsmaterialien oder solche mit höherer innerer Dämpfung einzusetzen. Im ersten Fall wird das Störsignal zu höheren Frequenzen verschoben, im zweiten Fall wird die Höhe der Amplitude des Störsignals reduziert.

Eine Erhöhung der Resonanzfrequenz f ist jedoch wegen ihrer Abhängigkeit vom Elastizitätsmodul E und der Dichte p der Form

f ∝ √E/ρ

nur begrenzt sinnvoll. Beispielsweise bewirkt erst eine Ver­ vierfachung des Elastizitätsmoduls E eine Verdoppelung der entsprechenden Resonanzfrequenz f. Dies ist für viele Anwen­ dungsfälle nicht ausreichend. Zudem ist die Auswahl an geeig­ neten Umspritzungsmaterialien für bestimmte Anwendungen, bei­ spielsweise im Bereich des Motorblocks, recht eingeschränkt. Auch bei der Erhöhung der inneren Dämpfung stellt es oft ein Problem dar, ein für den Einsatzzweck geeignetes Material zu finden, welches die entsprechenden Dämpfungseigenschaften aufweist.

Behält man die Produktionsmerkmale der derzeit in Produktion befindlichen Sensoren bei, kann das Problem der Störresonan­ zen nicht beseitigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Störresonanzen der Umsprit­ zung zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dazu wird der Klopfsensor so konstruiert, daß größere Massen­ konzentrationen des Umspritzungsmaterials vermieden werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Form der Mutter so ver­ ändert, daß ihre Außenkontur vollständig rotationssymmetrisch ist. Dadurch werden die bisher vorhandenen Massenkonzentra­ tionen des Umspritzungsmaterials an den Kanten der Mutter, die eine bedeutende Störung des Sensorsignals bewirken kön­ nen, vermieden.

Vorteilhaft ist es, wenn der Außenradius der erfindungsge­ mäßen Mutter dem der seismischen Masse entspricht, welcher wiederum dem des Schwingungsdetektors entspricht. Auf diese Weise bilden Schwingungsdetektor, seismische Masse und Mutter einen Zylinder. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß das Gesamtvolumen des Umspritzungsmaterials verringert wird, und so der Einfluß des Umspritzungsmaterials auf das Sensorsignal gegenüber dem der seismischen Masse weiter zurücktritt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Außenfläche des Trä­ ger, die an den Schwingungsdetektor grenzt, den gleichen Außendurchmesser besitzt wie die seismische Masse, so daß Teile des Trägers in die Zylinderform integriert werden.

Zum Korrosionsschutz kann das Umspritzungsmaterial auch Teile des Trägers bedecken.

Damit die Mutter weiteren Erfordernissen besser genügt, bei­ spielsweise der Gewichtsersparnis oder der gezielten Verände­ rung des Sensorsignals, kann sie an ihrer dem Träger und der seismischen Masse abgewandten Kante angefast oder gekrümmt sein.

Zur Verbesserung der montagetechnischen Handbarkeit ist es vorteilhaft, Aussparungen, beispielsweise Schlitze, in die Mutter zu integrieren. Deren Zahl und Anordnung ist variabel. Es ist vorteilhaft, wenn die Aussparungen ein möglichst klei­ nes Volumen aufweisen, so daß das Umspritzungsmaterial keine Partialschwingungen im Frequenzbereich < 25 kHz vollführt.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Mutter Einstiche an ihrer dem Träger zugewandten Seite besitzt, die mit Umsprit­ zungsmaterial gefüllt sind.

In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Aus­ führungsbeispielen dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Klopfsensor mit angefa­ ster Mutter, wobei Schwingungsdetektor, seismische Masse und Mutter den gleichen Außenradius besitzen

Fig. 2 zeigt die Mutter mit Aussparungen an ihrer der seis­ mischen Masse abgewandten Seite.

Fig. 3 zeigt die Mutter mit Aussparungen an ihrer dem Träger abgewandten Seite.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Klopfsensor analog zu Fig. 1, wobei nun ein Einstich in der Mutter vorhanden ist, der mit Umspritzungsmaterial gefüllt ist.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Klopfsensors mit Träger (1), Schwingungsde­ tektor (2), seismischer Masse (3), erfindungsgemäßer Mutter (4) und Umspritzungsmaterial (5).

Fig. 2 zeigt in Aufsicht die der seismischen Masse abge­ wandte Seite der Mutter (41) mit darin eingebrachten Schlit­ zen (61), die wie bei Schrauben oder Bohrungen/Ausfräsungen vorgesehen werden, so daß die Mutter (41) mittels geeigneter Werkzeuge angezogen werden kann.

Fig. 3 zeigt in Aufsicht die der seismischen Masse (3) abge­ wandte Seite der Mutter (41) mit Aussparungen (62), die in der dem Träger (1) abgewandten Seite der Mutter (42) einge­ bracht sind.

Fig. 4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Sensoraufbau, bei dem die Mutter (43) zur Verbesserung der Randdichtigkeit durch einen Einstich (7) an ihrer dem Träger (1) zugewandten Seite modifiziert ist, wobei der Einstich (7) mit Umspritzungsmaterial (5) gefüllt ist.

Claims (8)

1. Klopfsensor, bestehend aus

• - einem Träger (1),
• - einem Schwingungsdetektor (2), der auf dem Träger (1) aufliegt,
• - einer seismischen Masse (3), die auf dem Schwingungsdetektor (2) angebracht ist,
• - einer Mutter (4) mit vollkommen rotationssymmetrischer Außenfläche, die den Schwingungsdetektor (2) und die seismische Masse (3) auf dem Träger (1) hält,
• - einem Umspritzungsmaterial (5) mit vollkommen rotationssymmetrischer Außenfläche, das den Schwingungsdetektor (2), die seismische Masse (3) und die Mutter (4) umgibt.

2. Klopfsensor nach Anspruch 1, bei dem die Mutter (4) den gleichen Außenradius besitzt wie der Schwingungsdetektor (2) und die seismische Masse (3).

3. Klopfsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Außenfläche des Trägers (1), die an den Schwingungsdetektor (2) grenzt, den gleichen Außenradius besitzt wie der Schwingungsdetektor (2), die seismische Masse (3) und die Mutter (4).

4. Klopfsensor nach Anspruch 1-3, bei dem das Umspritzungsmaterial (5) den Schwingungsdetektor (2), die seismische Masse (3) die Mutter (4) und Teile des Trägers (1) umgibt.

5. Klopfsensor nach Anspruch 1-4, bei dem die Mutter (4) an ihrer dem Schwingungsdetektor (2) und der seismischen Masse (3) abgewandten äußeren Kante angefast oder gekrümmt ist.

6. Klopfsensor nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem zur besseren montagetechnischen Handhabung eine oder mehrere Aussparungen (61, 62) in die Mutter (4, 41, 42) eingebracht sind.

7. Klopfsensor nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem ein Einstich (7) an der dem Träger (1) zugewandten Seite der Mutter (4, 41, 42, 43) vorhanden ist, und dieser mit Umspritzungsmaterial (5) gefüllt ist.

8. Klopfsensor nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem der Schwingungsdetektor (2) ein Piezoelement ist.